气相二氧化硅是无定形结构，是以Si原子为中心、氧原子为顶点所形成的四面体不规则堆积而成的。它表面的Si原子也不是有规则地排列，连在Si原子上的羟基也不是等距离的，它们参与化学反应时也不是完全等价的。
大量的研究表明，二氧化硅结构中存在三种羟基。一是孤立的隔离羟基；二是连生的、彼此形成氢键的相邻羟基；三是双生的羟基，即两个羟基连在同一个Si原子上形成的硅氧键。孤立的和双生的羟基都没有形成氢键。
气相二氧化硅之所以成为硅橡胶最好的补强填充剂，这是因为二氧化硅与硅橡胶本身的结构性质密切相关的硅橡胶的骨架结构单元为：
式中Ｒ可以都是-CH3，可以部分是-CH3，也可以部分是-CH=CH2，-C6H5 或其它（包括长链）基团，呈线性螺旋结构。
由于有机硅生胶是非结晶性聚合物，在没有加入SiO2的聚合物中，聚合物分子间的网络强度很弱，它仅仅是依靠相互之间的机械缠绕而聚集在一起，链和链之间通过烷基之间弱的范德华力和相互之间的缠绕集合在一起，因此纯生胶的硫化强度很低。
通过配合二氧化硅类补强填充剂后，由于二氧化硅表面上有剩余的羟基，使得它的表面存在反应活性中心，可以和硅骨架结构中的硅氧烷的氢键之间发生相互作用，SiO2使其硫化胶的强度提高很多，从而达到补强作用。同时，SiO2和硅橡胶都是以硅氧键为骨架的，二者接触时在SiO2表面的硅氧键的螺旋结构被打开，甲基向外，其硅氧键和SiO2的硅氧键将交错排列，因此彼此的润湿性很好，这也有利于硅橡胶的补强。
